Догонялки с теплотой

Не знаем, нашлись ли чудилы, которые пытались следовать этим практическим рекомендациям – и удалось ли этим чудилам построить если уж не идеальную тепловую машину, так приблизиться к этому идеалу хотя бы наполовину. Молчит история. Так бывает: теория великолепна, но упрощающие допущения в ней самоубийственны. Вспоминается один доклад, в котором автор замахнулся на важную и актуальную проблему: «Новые математические методы раскроя одежды». Первой фразой там была такая: «Примем для простоты, что человеческое тело имеет форму шара» - и далее автор разобрался с проблемой, как Бобик с фуфайкой. Публика от восторга визжала и плакала.

Тут термодинамщики, небось, обидятся. И заявят, что тепловые машины-то работают. А, без верного научного понимания, они бы, мол, не работали. Отнюдь. Создаётся впечатление, что работа тепловых машин – сама по себе, а их «научное понимание» - само по себе. Одно другому не мешает. Знаете, Солнце тоже светит и греет – но вовсе не благодаря чьему-то «верному научному пониманию». Вон Карно выдал, на основе своего понимания, формулу для КПД идеальной тепловой машины. Этот КПД зависит лишь от соотношения температур нагревателя и холодильника: чем температура холодильника ниже, а температура нагревателя выше, тем КПД больше. Без этой формулы Карно не обходится ни один учебник по термодинамике. И все эти учебники, словно их авторы сговорились, обходят молчанием вопрос: а подтверждаются ли опытом предсказания, сделанные на основе формулы Карно? Ведь как было бы здорово, если формула, полученная при прикольных допущениях, давала бы предсказания, ценные для практики! Что, это так сложно проверить? Конечно, это несложно – и это уже давно и многократно проверено. Паровозы-то, как известно, бегали круглый год. Температура горения угля в паровозной топке, а также рабочая температура пара одинаковы и летом, и зимой – а вот температура атмосферы, которая играет роль холодильника, зимой ниже, чем летом. Если считать, что КПД паровоза круглый год составляет один и тот же процент от КПД идеальной тепловой машины, то зимой КПД паровоза должен быть заметно выше, чем летом. Зимой гонять паровозы было бы выгоднее: потребление угля было бы меньше. В действительности, всё наоборот: так, в России паровозы зимой потребляли угля на 20-25% больше, чем летом. В основном, потому, что зимой больше перепад температур между атмосферой и горячим паровозным железом, поэтому потери тепла на «нагрев атмосферы» зимой больше – а полезная работа, соответственно, меньше. Вот так с ней, с пониженной температуркой холодильничка! Возможно, формула Карно великолепно работает для идеальных тепловых машин – только никто это не проверял, потому что таких машин нет и быть не может. А вот для реальных тепловых машин, на основе этой формулы получаются конкретно бредовые предсказания. Впрочем, при всех недостатках формулы Карно, у неё есть бесспорное достоинство: феноменальное научное долголетие.

Короче, эта формула, хотя и украсила собой учебники, не помогла прояснить проблему, ради которой она сочинялась. Люди, далёкие от высокой науки, так и не могли взять в толк – отчего КПД паровых машин, который, согласно первому началу термодинамики, должен составлять 100%, в реальности составлял менее 10%. Больше всех по этому поводу кипятились владельцы паровозных и пароходных компаний. Все они были какие-то нервные, особенно при известии об очередном повышении цен на уголь. Чтобы успокоить этих господ, пришлось физикам развить представления о том, что тепло теряется не по вине разработчиков и производителей паровых машин: необратимые потери тепла – это, мол, фундаментальный закон природы. В ней, мол, куда ни плюнь – сплошь идут необратимые тепловые процессы, при которых тепло непременно теряется. Любая передача тепла – это необратимый процесс, с неизбежными потерями. Нагревается железка из-за трения или электрического тока – вот оно, тепло. А потом железка остывает – и нет тепла. Ищи-свищи! Потерянного не воротишь. Потому и говорится: необратимые процессы. А такие процессы, само собой, могут протекать лишь в одном направлении. Угадайте, в каком? Да в таком, чтобы при этом тепло терялось! Этот принцип назвали «вторым началом термодинамики». Вот его наглядная иллюстрация: тепло переходит лишь в одну сторону, от горячего к холодному. Это и раньше было известно, но теперь под это подвели, как видите, мощный теоретический фундамент.

Кстати, упрощённая формулировка «второго начала» так и звучит: «Тепло самопроизвольно переходит только от горячих тел к холодным». Эту формулировку предложил Клаузиус (1850) – после чего терзался 15 лет и лишь в 1865 г. облегчил себе душу покаянием: эта формулировка, мол, порождает чудовищную проблему. Смотрите: ключевое слово там – «самопроизвольно». Вы, конечно, можете проявить произвол и построить холодильную машину – хотя она всё равно будет греть атмосферу сильнее, чем охлаждать ваше пиво. Но эта холодильная машина – пренебрежимая мелочь по сравнению с масштабами природных процессов, которые происходят, как бы, самопроизвольно. Значит, тепло везде переходит только в одну сторону: от горячего к холодному, от горячего к холодному… Тогда неизбежен вывод о том, что – долго ли, коротко ли – температуры всех тел выровняются, и получится т.н. «тепловая смерть Вселенной». Жуть: даже пальчиком пошевелить не сможешь, если где-нибудь зачешется. Но – радость-то какая! – никаких признаков приближения тепловой смерти Вселенной не наблюдается. Где же так махнулись теоретики? Может, говоря о самопроизвольных процессах в природе, мы чего-то важного не замечаем? Вот, скажем, наладили вы серийное производство бытовых холодильников «Морозко». Тогда понятно, что, благодаря и вашему скромному вкладу, на Земле пока ещё не наступила тепловая смерть. А кто же занимается аналогичными холодильными делами в масштабах Солнечной системы? в масштабах Галактики? Если теоретики сформулировали фундаментальный принцип, из которого прямо следует, что мир трепыхается благодаря чьему-то произволу – они должны были разъяснить, о ком конкретно речь, кому нам в ножки кланяться. Видите, дорогой читатель, куда нас заносит? С ума сойдёшь от таких теоретиков! И не мы первые это заметили. Многим не хотелось сходить с ума, и было предпринято немало попыток доказать, что «второе начало» верно, а его прямое следствие – насчёт тепловой смерти Вселенной – ошибочно, ошибочно, ошибочно! Это был какой-то парад высшей, уму непостижимой логики. Право, неинтересно даже.

А всё почему? Потому что вся эта куча смешных проблем нарасла не из-за ошибочности представлений о том, от какого тела к какому передаётся тепловая энергия – от горячего к холодному, или наоборот. С чего теоретики взяли, что тепловая энергия вообще передаётся от одного тела к другому? Ведь всё может быть иначе. В полном согласии с законом сохранения и превращения энергии, в тепловую энергию тела может превращаться энергия в какой-нибудь другой форме, которой обладает это же самое тело. Сумма этих двух энергий у тела – тепловой и той, которая в неё превращается – может оставаться постоянной. И тогда нам может лишь казаться, что тепловая энергия переходит от горячего тела к холодному – ибо в обоих телах могут происходить лишь перераспределения энергий в той и другой формах. Суммы этих энергий в обоих телах будут оставаться прежними, т.е. каждое тело будет иметь после теплового контакта столько же энергии, сколько оно имело до этого контакта. Вот такой подход не только радикально проясняет картину происходящего при тепловых явлениях, но и устраняет тучу противоречий, в которых тепловая физика давно захлебнулась. А первое, что даёт нам такой подход – это прояснение многострадального понятия «температура».

Почему это понятие в рамках традиционного подхода противоречиво? Вон теоретики придумали «внутреннюю энергию» тела – чем эта энергия больше, тем выше температура, помните? Внутренняя энергия идеального газа – она вообще прямо пропорциональна его абсолютной температуре. Добавим сюда ещё знаменитую теорему молекулярно-кинетической теории об энергии, приходящейся на каждую механическую степень свободы молекулы – эта энергия тоже прямо пропорциональна абсолютной температуре. Трудно отделаться от стойкого ощущения того, что температура является мерой энергосодержания – они же, мол, пропорциональны друг другу! О, на эту удочку ловились многие, а потом переживали страшное разочарование. Вот в чём проблема: энергия является величиной аддитивной, а температура – неаддитивной. При соединении двух тел, имеющих одинаковые энергии, мы получаем удвоенную энергию – но при соединении двух тел, имеющих одинаковые температуры, мы не получаем удвоенной температуры. Работает закон сохранения энергии, но не работает закон сохранения температуры. Каким же образом неаддитивная величина, температура, может быть мерой аддитивной величины, энергии? Да никаким! Подумаешь, иногда пропорциональны друг другу. Толку-то!..

А чтобы был толк, вот что предлагается сделать: допустить, что температура является не мерой какой-либо энергии, а мерой соотношения между энергиями в двух различных формах, образующих сопряжённую пару. Речь о такой паре энергий тела, сумма которых остаётся постоянной, поскольку увеличение одной из них происходит за счёт уменьшения другой. Таких сопряжённых пар энергии мы знаем две, и каждой из них соответствует давно известное энергетическое распределение, в которое температура входит как параметр. Одна из этих пар – это кинетическая энергия частицы и собственная энергия частицы, т.е. её масса; этой паре энергий соответствует температура, входящая как параметр в максвелловское распределение молекул по энергиям. Вторая из этих пар – это энергия возбуждения атома и энергия связи соответствующего атомарного электрона; этой паре энергий соответствует температура, входящая как параметр в спектр равновесного излучения: этот спектр отражает равновесное распределение атомов по энергиям возбуждения. Большие учёные попытаются поднять нас на смех, поскольку до сих пор в физике считается, что как кинетическая энергия, так и энергия возбуждения передаются атому откуда-то извне, а не появляются за счёт его собственных ресурсов. Увы: пока вы, уважаемые, не избавитесь от предрассудков насчёт «передачи энергии извне», именно вы будете смешить публику в вопросах, связанных с тепловыми явлениями.

Что касается кинетической энергии, то экспериментальные реалии свидетельствуют о том, что мы не можем сообщитькинетическую энергию частице, мы можем лишь превратитьв её кинетическую энергию часть её собственной энергии, т.е. массы. И обусловлено это не ограниченностью наших технических возможностей. Просто физические законы прописаны так, что иных вариантов приобретения кинетической энергии, кроме как за счёт своей массы, не предусмотрено. Поэтому, при разгоне частицы, её масса уменьшается. Никакого релятивистского роста массы в природе не существует. Это самая страшная научная тайна, благодаря которой всё ещё продолжается мышиная возня на ускорителях и коллайдерах. То, что более быстрые заряженные частицы труднее отклоняются электромагнитными полями – этот факт говорит не об увеличенной массе быстрых частиц, а о сниженной эффективности воздействия на них электромагнитных полей. Все попытки выделить чудовищную накрученную энергию быстрых частиц при их взаимодействии с веществом (а не с полями) – закончились смехотворно. Единственное (!) вошедшее в историю прямое измерение энергии релятивистских электронов – кстати, калориметрическим способом, опыт Бертоцци – на поверку оказалось мошенничеством (см. «Фиговые листики теории относительности»).

Что касается энергии возбуждения атома, то из опыта достоверно известно, что энергия связи атомарного электрона уменьшается на величину, равную энергии возбуждения. Поэтому то, что энергия возбуждения и энергия связи образуют сопряжённую пару – не вызывает никаких сомнений. Правда, отсюда следует, что энергия кванта света не передаётся от атома к атому. Но это вполне согласуется с изложенными ранее представлениями о свете (см. «Фокусы-покусы квантовой теории»): фотонов, как порций энергии, летящих в вакууме со скоростью света, не существует в природе, а процесс движения световой энергии – это цепочка скоррелированных перераспределений энергий у пар атомов. А именно: у одного атома энергия возбуждения пропадает, а энергия связи, соответственно, увеличивается – а у второго всё происходит наоборот. Обычно смотрят лишь на энергию возбуждения и видят иллюзию того, что энергия переместилась – а ведь каждый из этой пары атомов остался при своём. Мы понимаем: очень непривычно звучит то, что световая энергия никуда не передаётся. Даже – по лазерному лучу. Специалисты кидались демонстрировать нам результаты лазерного воздействия на вещество. Как будто мы сами не занимались лазерной обработкой материалов и не видали такого добра. «Ну вот же, - чуть не плакали специалисты, - вот сюда и сюда фотоны били, били, и свою энергию отдавали, отдавали!» Нет, не били и не отдавали. Лазерный луч деформирует у атомов мишени распределение по энергиям возбуждения – но полная энергия атомов какой была, такой и остаётся! А температура мишени, конечно, повышается: все эффекты лазерного воздействия на вещество – это эффекты тепловые, включая испарение и ионизацию! И все эти эффекты обусловлены перераспределениями в собственных энергетических закромах мишени, а не наращиванием содержимого этих закромов!

Друзья, если это вам кажется бредом, имейте в виду: вы находитесь под действием одурманивающей концепции о том, что повышение температуры обязательно означает прибыль полной энергии. Так стряхните с себя этот дурман – иначе ведь и свихнуться можно! Знаете, в №1 за 1999 г. журнала «Квантовая электроника», главный редактор в обращении к авторам и читателям всерьёз обнародовал « фантастическую идею применения лазерных пучков для сброса энергии в бесконечное космическое пространство с целью предотвращения теплового перегрева Земли». Ну, давайте прикинем: если КПД лазерной установки составляет 20%, то это означает, что – без передачи энергии по лазерному лучу! – 20% мощности, подводимой к установке, будет тратиться на нагрев мишеней, а 80% - на нагрев самой установки и окружающей её среды. Слава таким борцам с глобальным потеплением!.. Правда, больше про этот выдающийся проект мы ничего не слышали. Небось, кто-то кому-то шепнул заветное слово…

Давайте же теперь сформулируем понятие температуры, которое адекватно отражает происходящее при тепловых явлениях. Это понятие, конечно, можно ввести лишь для равновесного состояния у достаточно большого коллектива частиц, поскольку величина температуры оказывается результатом статистического усреднения. Скажем про две температуры, которые соответствуют двум вышеназванным сопряжённым парам энергий. Кинетическая температура – это мера того, какая часть собственных энергий частиц (в среднем) превращена в энергии их хаотического движения: поступательного, колебательного, вращательного. Атомная температура – это мера того, какая часть энергий связи атомарных электронов (в среднем) превращена в их энергии возбуждения. Кинетическая температура входит как параметр в максвелловское распределение молекул по скоростям, а атомная температура входит как параметр в спектр равновесного излучения, который отражает равновесное распределение атомов по энергиям возбуждения. Неспроста максвелловское распределение и равновесный спектр похожи друг на друга, как близнецы: оба они описывают соответствие между температурой и распределением энергий. Заметьте: максимум максвелловского распределения соответствует энергии kT– где k– постоянная Больцмана, T– абсолютная температура – а максимум равновесного спектра соответствует энергии 5 kT. При одной и той же температуре, наиболее вероятная энергия возбуждения атома в пять раз больше наиболее вероятной кинетической энергии молекулы! Это не бред, это – экспериментальные реалии! Ничего не поделаешь: коэффициенты соответствия между температурой и разными формами энергии – разные! Для кого-то это непривычно? А то, что однозначного соответствия между температурой и энергией до сих пор никто не сконструировал – это привычно, что ли? Так оно – то же самое, только «в профиль». Лучше вот на что обратить внимание: обе названные температуры – кинетическая и атомная – сразу проясняют физический смысл абсолютной температурной шкалы, с неизбежным нулём на нижнем конце. Действительно: нулевая кинетическая энергия молекул соответствует абсолютному нулю кинетической температуры, а нулевая энергия возбуждения атомов соответствует абсолютному нулю атомной температуры. Причём, кинетическая и атомная температуры тела не обязательно совпадают, поскольку возможны физические воздействия, при которых деформируется либо только распределение по энергиям хаотического движения, либо только распределение по энергиям возбуждения. Так, Солнышко, припекая землицу, увеличивает её атомную температуру – а затем, в результате тепловой релаксации, кинетическая и атомная температуры землицы могут выровняться.